腐蚀环境下摩擦型高强螺栓连接承载力研究

作     者：王智文 

作者单位：苏州科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黎明

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：摩擦型高强螺栓连接 腐蚀深度 螺栓预拉力 松弛 滑移荷载 

摘      要：随着钢结构快速发展,长期服役钢结构越来越多,钢结构耐腐蚀性差的缺点显得十分突出,尤其是暴露在大气中的钢结构桥梁。随着防腐蚀手段的逐步失效,腐蚀介质的侵入,不仅导致截面减损从而改变几何参数,而且导致钢材材性劣化从而变脆,最终导致承载力下降、表面损伤、延性降低等。腐蚀主要从钢材、构件、连接和结构四个方面产生影响,本文从钢材性能和摩擦型高强螺栓连接承载力两个方面探讨腐蚀的影响。本文采用的加速腐蚀试验方法是电解腐蚀,其多用于模拟钢筋混凝土结构腐蚀,而用于钢结构研究较少,因此,首先研究电解腐蚀后Q235B钢板的腐蚀效果,再将其用于腐蚀摩擦型高强螺栓连接。电解腐蚀后Q235B钢板力学性能研究,主要研究电解腐蚀法对钢板表面的腐蚀形态及力学性能的影响。结果表明:(1)Q235B钢板在电解腐蚀条件下均匀腐蚀和点蚀同时发生,随着腐蚀程度增加,点蚀现象越明显;腐蚀段与未腐蚀段交界处腐蚀深度大于腐蚀段腐蚀深度;电解腐蚀能较好的模拟自然大气环境中的腐蚀形态。(2)随着腐蚀程度的增加,Q235B钢板力学性能出现了不同程度的变化,屈服强度、抗拉强度呈现明显的线性退化趋势,而强屈比呈现明显的上升趋势。通过分析试验数据,建立了屈服强度、抗拉强度、强屈比与腐蚀率之间的关系式。摩擦型高强螺栓连接中螺栓预拉力是十分重要的参数,与抗滑移系数和承载力关系密切,所以为了测量松弛及腐蚀对高强螺栓预拉力变化,在高强螺栓轴力标定试验中通过在螺栓中心轴线开贯穿圆孔的形式将光纤布拉格光栅传感器封装于螺栓内来测量螺栓预拉力,并通过有限元模拟确定了传感器安装位置。通过高强螺栓轴力标定试验,确定了高强螺栓轴力与传感器测点应变之间的关系。结果表明:当螺栓轴力在170k N以下时,螺栓轴力和传感器测点应变完全符合线性关系,高强螺栓处于弹性阶段,通过传感器测点应变得到螺栓轴力是完全可行的;当螺栓轴力达到设定值170k N时,每个传感器测点应变有所不同,这是因为传感器安装位置不同造成的,表明采用本文安装方式存在误差,因此螺栓需要进行螺栓轴力标定。在腐蚀环境下摩擦型高强螺栓连接承载力研究中,首先,依据规范制作了摩擦型高强螺栓连接试件,接着通过监测光纤布拉格光栅传感器应变将试件完成组装,接着测量了螺栓预拉力的松弛,然后对高强螺栓连接进行了不同程度的腐蚀,最后进行抗剪试验。分析试验结果和数据,得到以下结论:(1)螺栓终拧1小时后松弛超过50%总松弛,5小时以后松弛减小变得十分缓慢,此时松弛达到80%总松弛;48小时后松弛接近完成。(2)螺母、垫圈、螺栓螺纹部以及螺栓与盖板、母板接触面上几乎没有发生腐蚀,溶液几乎没有从螺栓周围的接触面渗透;接触面以红锈为主,接触面的螺栓孔周围与接触面其他区域相比没有进行腐蚀。(3)盖板四周腐蚀深度大于螺栓孔周围腐蚀深度。(4)随着腐蚀深度的增加,螺栓轴力减小。(5)试件荷载—位移曲线有四个明显的阶段:(1)摩擦传力阶段,(2)滑移阶段,(3)屈服强化阶段,(4)失效阶段。(6)第一组试件由于受到松弛影响,滑移荷载都小于计算承载力;而摩擦型高强螺栓连接在腐蚀和松弛共同作用下,滑移荷载都高于计算承载力,腐蚀作用反而提高了试件承载力。(7)随着腐蚀时间的增加,接触面因腐蚀产生的红锈面积越来越大,同时红锈越厚,这是滑移系数随着腐蚀深度变大而变大的原因。在试验研究的基础上,本文对腐蚀的摩擦型高强螺栓连接进行了有限元模拟,建模时考虑了腐蚀造成的盖板截面损失、滑移系数变化和螺栓轴力变化。通过将有限元结果和试验结果进行比较,验证了运用有限元数值模拟方法分析腐蚀后摩擦型高强螺栓连接的适用性和有效性。